继电器：小电流驱动大电流的原理与应用

在电子电路领域，常常需要实现小电流对大电流的控制，很多人首先会想到三极管，但其实还有一个重要的器件也能出色地完成这一任务，那就是继电器。接下来，我们将从继电器的内部构成、常见类型以及驱动电路等方面，深入全面地认识一下这个神奇的电子器件。

继电器长什么样？

继电器本质上是一种电控制器件，早期狭义的定义通常指电磁继电器或固态继电器，它能够通过输入回路的小电流信号来控制输出回路大电流电路的接通或断开，形象地说，它就像是一个 “电子开关”。

这种定义是早期对继电器的狭义定义，通常指很常见的电磁继电器或固态继电器，随着技术发展，继电器家族也衍生出了一些变种，它们的触发不依靠外部的电信号，而是依靠自身的设定参数动作，后面就会给大家介绍几种常用的继电器类型。

在电子系统中，继电器的核心功能有以下三种：

●控制能力，用小电流控制大电流；

●隔离作用，控制信号和负载电路之间，通过继电器隔，保护负载电路；

●定时开关，安全保护，可以利用继电器实现自动控制。

那么，继电器是如何实现这些功能的呢？这就需要从它的内部结构说起。

以最为常见的电磁继电器为例，它主要由磁路系统、触点系统、复位系统以及支架组成。磁路系统由线圈、铁芯、和衔铁构成；触点系统由动触头和静触头构成；复位系统通常是弹簧或者弹片；支架将各个机构固定在确定位置。

虽然继电器的种类不同，内部结构可能也略有不同，但基本原理都是类似的：当线圈通电后，会产生磁场，铁芯上就会产生磁力吸引衔铁，当电磁力大于弹簧反力时，衔铁带动动触头向着静触头闭合，此时，常开触头闭合，常闭触头断开。当线圈失电后，铁芯磁力消失，衔铁释放，依靠复位弹簧或者弹片的弹力，触头复位，此时，常开触头断开，常闭触头闭合。

常见的继电器类型

继电器的种类丰富多样，常用的有以下几种：

(1).电磁继电器

电磁继电器是非常传统的继电器类型，它利用电磁体控制触电开关。这种继电器结构简单，价格比较低，应用广泛，但是它的机械触电容易磨损。

(2).固态继电器（SSR）

固态继电器简称SSR，是一种无触点电子开关，它是将半导体功率器件，如可控硅、MOSFET、IGBT，与隔离驱动电路设计封装到一个模块里，实现电路的导通与关断。根据控制方式和负载类型，SSR又可以分为直流控交流、直流控直流、交流控交流这几种。

以直流控交流的固态继电器为例，控制220V/50W的小灯。按照如下接好测试电路，信号端由稳压电源提供，通过标识可以看到，它的控制信号是3V-32V的直流信号，被控端允许24V-480V的交流负载。所以稳压电源设置输出为5V，打开稳压电源，SSR导通了，灯泡发光，关断稳压电源，SSR关断，灯泡熄灭。

SSR的功率可以做的非常大，上面实验的电流可高至25A，有的SSR过电流可达几百A，所以这时候要注意，当被控负载的电流大到一定时，需要给SSR增加外部散热器。相对于电磁继电器，固态继电器有寿命长、响应快、控制精细、通断无火花等优势。

(3).时间继电器

顾名思义就是通过设置自身定时时间，延时执行动作的继电器。根据延时方式，时间继电器有通电延时型和断电延时型两种。在需要按时间启动的系统中，时间继电器应用广泛。以通电延时型时间继电器为例，设置延时通电时间，连接好灯泡和测试电路。给它通电后，继电器并没有立即执行动作，而是计时器开始工作，当时间到达后，时间继电器才会吸合，灯泡发光。

(4).热继电器

热继电器是电气控制系统中常用的过载保护电器，利用热电流热效应原理工作。

热继电器主要构成有热元件、双金属片、触点及动作机构。核心检测部件，通常由双金属片和绕在双金属片上的加热绕组组成。加热绕组与被保护设备的主电路串联，直接感受电路中的电流变化；双金属片由两种热膨胀系数不同的金属片叠压而成，一端固定，另一端与动作机构相连。

以电机为例，当电机正常运行时，热元件产生热量使双金属片缓慢弯曲，但不足以使触点动作。当设备发生过载时，电流超过额定值，加热绕组产生的热量大幅增加，导致双金属片受热膨胀弯曲，当达到一定程度后，通过推杆推动动作机构，使触点系统中的主触点断开，切断控制电路，进而切断主电路电源，实现设备的过载保护。此外，还有压力继电器，其工作原理与热继电器相似。

如何驱动继电器？

知道了继电器的原理和结构后，如何驱动它们呢？

首先，系统中的主控，比如单片机，是不能直接驱动继电器的。一是单片机的IO口输出电流比较小，不能产生足够的磁力。二是很多继电器的线圈额定电压是高于单片机的3.3V的。另外还有线圈的反向电动势冲击，会烧毁单片机IO口。

这个时候，就需要使用驱动电路了，常用的有这3种：

第一种是使用NPN晶体管驱动。当给晶体管基极给高电平信号，晶体管导通，继电器得电吸合，当给低电平信号后，晶体管关断，继电器失电。

第二种是使用PNP晶体管驱动。它的控制逻辑与NPN管相反，当给晶体管基极给高电平信号，晶体管关断，继电器失电断开，当给低电平信号后，晶体管导通，继电器得电吸合。

（图：NPN 晶体管与 PNP 晶体管驱动电路）

第三种就是使用达林顿管阵列驱动。这种适合多路继电器驱动，可以简化驱动设计，例如ULN2803可以同时驱动8路继电器。

（图：达林顿管阵列驱动电路）

在驱动电路中，我们常常会看到在继电器的线圈上反并联了一个二极管，这个二极管是续流二极管，它的作用是钳位继电器断开瞬间产生的反电动势。当继电器的线圈失电瞬间，会产生非常高的反电动势，通常能达到几十伏至几百伏，如果不进行处理，就会击穿驱动电路或其他电子元件。而在续流二极管的钳位下，可以将反电动势的幅值控制在 0.7V 左右，从而保护电路板上的其他元件。

从传统的电磁继电器到无触点的固态继电器，从精准定时的时间继电器到守护设备安全的热继电器，继电器家族在各类电路中都发挥着至关重要的作用，支撑着电路的稳定运行。无论是工业生产中的设备控制，还是智能家居控制，继电器都在默默地发挥着重要作用。